生物体有着不同于人工合成材料的形成模式：它们可以生长但是人工合成材料不可以。简单来说，生长可以被认为是由一系列不同的进程所组成的，包括摄入食物，吸收食物中的营养，营养的传输以及将营养转化/融合成身体的一部分。然而，如何通过合理的设计来更好的模拟生长这种行为，以此来研究其在生物工程方面的应用是一个难题。
近日，德国莱布尼茨新材料研究所/电子科技大学崔家喜教授团队与上海科技大学的郑宜君教授通过使用光调控的分子转移来实现了材料的定向生长。该成果以 Light-regulated growth from dynamic swollen substrates for making rough surfaces 为题发表在国际顶刊Nature Communications （IF:11.878）上，文章第一作者为博士生薛璐璐，崔家喜教授和郑宜君教授为论文共同通讯作者。
在这个工作中，他们将“生长”这个机制运用到单个聚合物体系中，实现了对可聚合分子的吸收，分子的迁移以及新生成的聚合物与原始聚合物之间的交换与融合。当设计可生长材料的时候，他们发现可以通过简单的溶胀来实现对可聚合分子的吸收，且这些分子可以通过聚合的方式与基材进行融合。然而，如何在三维聚合物网络中对分子进行有效地迁移是困难且复杂的。因此，在三维聚合物网络的特定位置上进行生长是较难控制的。他们发现，在凝胶基质中，可电离的离子对的形成能够显著增强聚合物网络的溶胀能力。基于此，他们通过控制可电离的离子对的原位形成来调控分子在三维网络中的迁移。他们将在紫外光下可光解的硝基苯分子（o-nitrobenzyl ester）引入到聚（4-羟基丁基丙烯酸酯）（poly(4-hydroxylbutyl acrylate)）弹性体网络中，通过光照剂量来使微结构生长在溶胀的基材表面（图 1）。在他们的设计中，三种不同的反应---光降解，光聚合和酯交换汇集在一个体系中，分别起到了引导液体组分（营养液）在三维网络中的迁移，将液体组分转化为聚合物以及重构新生成的聚合物和原始聚合物的作用。基于这些反应，在不需要任何预先处理下，微结构可以直接从基材的表面生长起来，就像小草破土而出那样。
图 1. 在基材表面通过光来调控生长的示意图。 (a)可生长的“种子”的组成部分。 (b)溶胀的“种子”。用于溶胀的培养液包括单体，交联剂，光引发剂和酯交换催化剂。(c) 选择性紫外光在溶胀基材表面的照射。硝基苯分子的光解可以产生可电离的离子对，该离子对可以诱导液体组分向被照射区域的迁移。(d) 光聚合产生新的聚合物。 (e) 通过酯交换，新产生的聚合物网络可以和原先的聚合物网络融合在一起。
这一设想被一系列的实验作证实。当得到含硝基苯和4-羟基丁基丙烯酸酯的弹性体后，他们将其在培养液（包括单体，交联剂，光引发剂和酯交换催化剂）中溶胀，并且使用紫外光源使硝基苯的物质降解，驱动单体和交联剂的聚合，以及原始聚合物网络和新生成聚合物网络间的酯交换。由于这些反应的发生，不同的表面结构从溶胀的弹性体表面生长起来（图2）。通过改变不同的参数，这些生长出来的结构拥有着可调的尺寸，组成和机械性能。这些灵活的可调节特性不仅可以在材料表面制备微结构，还可以用于大面积的材料损伤自修复
图 2. 光照条件下微结构在基材表面生长（侧视图）的时间依赖性。光照强度：10 mW·cm-2。 光掩模尺寸：500 µm。比例尺：250 µm。
该工作得到了莱布尼茨研究经费，上海科技大学启动经费和中国国家留学基金委的支持。
作者简介崔家喜教授，主要研究方向包括动态软材料、响应性高分子、仿生材料、高性能水凝胶、生物材料等领域。在 Nature Materials, Nature Communications, JACS, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials 等国际著名期刊发表学术论文 70 多篇，作为主要发明人获得美国专利授权 2 项，H 指数 26。编写英文专著（章节）2 部。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-020-14807-x
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